Aspetti operativi della fusione a cera persa

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5.1.1 La fusione a cera persa

Si tratta di una tecnica con origini antiche, anche se evolutasi con impiego di nuove metodologie e si basa essenzialmente sulla riproduzione metallica di un modello di cera. Con riferimento al caso in esame, la tecnica con cui si è proceduto è la seguente.

Al modello vengono applicate le spine di fusione, a loro volta fissate all’apice del cono di colata, eventualmente con un canale di colata principale interposto; il tutto viene posizionato su una base di gomma sulla quale viene inserito un cilindro d’acciaio rivestito internamente con un foglio di carbo-cellulosa con funzione di cuscinetto per l'espansione omogenea del rivestimento che verrà colato al suo interno.

Si prepara quindi il materiale da rivestimento mescolandolo sottovuoto e lo si cola all'interno del cilindro riempiendolo, in modo da ricoprire completamente il modello.

Quando il rivestimento ha fatto presa (e ciò comporta un prima espansione), si pone il cilindro in un forno e lo si scalda dapprima a più bassa temperatura (200 ÷ 300 °C) per eliminare la cera, poi per compensare il ritiro della lega, aumentando la temperatura in un tempo adeguato evitando lo shock termico; quando il cilindro (col rivestimento al suo interno) ha raggiunto alla temperatura finale (800 ÷ 900 °C, per una lega ad alto intervallo di fusione), lo si posiziona nella macchina fonditrice - centrifuga tramite una pinza apposita.

La macchina ha la duplice funzione di fondere la lega e di iniettarla nella forma all’interno del rivestimento contenuto nel cilindro.

I lingottini di lega, posti in un crogiolo ceramico posizionato vicino al cilindro, vengono fusi per induzione in quanto la lega si comporta come il secondario chiuso in cortocircuito di un trasformatore, mentre il primario è costituito da un solenoide avvolto attorno al crogiolo e collegato ad una alimentazione in corrente alternata ad alta frequenza. Il riscaldamento avviene per effetto delle correnti parassite di Foucault e alle correnti di conduzione dovute al campo magnetico variabile.

Quando la lega è completamente fusa, viene fatta passare dal crogiolo al cilindro per forza centrifuga grazie alla rotazione ad alta velocità angolare del supporto su cui è posizionato il cilindro stesso.

A colata avvenuta, si attende il raffreddamento della lega, quindi la si estrae dal rivestimento rompendo quest’ultimo.

5.1.2 Aspetti operativi della fusione a cera persa

Come riferito, i pezzi destinati alle prove consistevano in semplici forme a piastrina che non hanno richiesto specifica modellazione; alla preparazione dei provini è seguita l’imperniatura; in questo caso per ogni modello di provino è stata studiata un’alimentazione con tre perni di

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colata modellati in cera marca Virab di 1 mm di diametro, per garantire un flusso regolare di lega; le Figure 5.1. e 5.2. seguenti illustrano quanto sopra.

Figura 5.1. I provini modellati Figura 5.2. Particolare dell’imperniatura

Si è proceduto quindi alla messa in rivestimento; dopo aver spruzzato sul modellato di cera un

tensioattivo (Vaxit^®, della Degussa) per garantire un bagnamento adeguato della cera

(idrorepellente per natura) da parte del rivestimento, è stato collocato attorno al modellato un cilindro di acciaio di contenimento, foderato internamente con un foglio di carbo-cellulosa Degussa per consentire un’espansione radiale del rivestimento e quindi una espansione complessiva omogenea (v. Fig. 5.3.). È stato poi preparato il rivestimento a legante fosfatico

Dentaurum Castorit^® all speed, in grado di sopportare cicli di preriscaldamento rapidi e

capace di dare un preciso controllo dell‘espansione, miscelandolo con il liquido speciale a base acquosa fornito dalla casa produttrice. L’operazione effettuata con miscelatore Degussa

Multivac^® 4, sotto vuoto per evitare inclusioni di aria (v. Fig. 5.4.).

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La miscelazione del rivestimento è stata eseguita per 60 s a 360 giri/min.

Il modellato è stato posizionato nel cilindro in modo da assicurare una corretta avanzata del fronte di solidificazione della lega verso il centro termico del sistema, per garantire una corretta cristallizzazione.

Il rivestimento è stato quindi versato nel cilindro (Fig. 5.5.) riempiendolo completamente senza applicazione di pressione esterna, come indicato dal produttore.

Figura 5.5. Colata del rivestimento

Dopo la presa, il rivestimento è stato posto in un forno di preriscaldamento elettrico a resistenza Manfredi L7A impostando un ciclo di riscaldamento lento, consistente nella permanenza del cilindro a temperatura ambiente per 40 minuti (la reazione di presa del rivestimento è esotermica), salita fino a 250°C alla velocità di 5 C°/min, mantenimento di tale temperatura per 60 minuti, salita a quella finale di 870°C sempre con la stessa velocità ed infine permanenza alla temperatura di regime per altri 60 minuti (v. Fig. 5.6.).

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Il preriscaldamento è fondamentale per evitare shock termici e compensare il ritiro della lega. La quantità di lega necessaria per la fusione è stata calcolata moltiplicando il peso del modellato in cera per la densità della lega, perni inclusi, diviso per la densità della cera (circa

0,93 g/cm³) aggiungendo un paio di lingotti per il cono di colata.

Sono stati utilizzati lingotti cilindrici di lega Dentaurum remanium^® star del peso di circa 6 g

ciascuno (v. Fig. 5.7.).

Figura 5.7. Lingotti di lega remanium star

Per la fusione della lega è stata impiegata una fonditrice a induzione con colata centrifuga per

il riempimento della forma Manfredi Millennium-r^®.

Tale fonditrice è molto rapida nella fusione (fino a 30 gr di lega Cr-Co in soli 60 s) ed è in grado di regolare la potenza dell’induzione fondendo più o meno rapidamente, evitando dunque di “bruciare” la lega e far si che questa non assorba gas.

Essa è dotata di regolatore di spunto (per controllare l’afflusso del fuso all’interno del cilindro) e di sistema di lettura della temperatura con possibilità di effettuare il ciclo di fusione in automatico.

La temperatura massima raggiungibile con questa fonditrice impiegata è di 2000 °C.

Date la velocità e la tecnica di fusione, non vi sono rischi di inclusione o solubilizzazione di gas e, quindi, di porosità.

Il crogiolo utilizzato è di materiale ceramico in quanto un crogiolo di grafite avrebbe contaminato la lega per carburazione, compromettendone le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione.

Le Figure 5.8. e 5.9. riportate nella pagina seguente presentano le fasi preparatorie di tale passaggio.

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Figura 5.8. Preparazione della fonditrice Figura 5.9. Inserimento dei lingotti nel crogiolo

La Figura 5.10. fa vedere la macchina in funzione durante l’operazione di fusione della lega e la Figura 5.11. il display di controllo delle temperature.

Figura 5.10. Fusione della lega Figura 5.11. – display della fonditrice con la

temperatura raggiunta al momento dello scatto (sopra) e quella da ottenere per la colata della lega (sotto – 1475 °C)

La Figura 5.12. (v. pagina seguente) mostra la lega fusa nel crogiolo ed il cilindro, preriscaldato, che viene inserito nel suo alloggiamento, in linea con lo scarico del crogiolo.

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Figura 5.12. Inserimento del cilindro prima della colata della lega per centrifugazione notare la lega fusa nel

crogiolo

A colata avvenuta, il cilindro è stato tolto dalla macchina (Fig. 5.13.) e lasciato raffreddare all’aria sul piano di lavoro (Fig. 5.14.).

Figura 5.13. Estrazione del cilindro dalla centrifuga Figura 5.14. Cilindro con la lega colata

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Successivamente, la fusione è stata tolta dal rivestimento (v. Fig. 5.15.), provvedendo poi a pulirla dai residui di questo sabbiandola con ossido di alluminio con granulometria 125 μm, in bassa pressione (v. Fig. 5.16.). Le Figure 5.17. e 5.18. mostrano due immagini dei provini con le spine di fusione dopo l’operazione di sabbiatura.

Figura 5.17. I provini dopo la sabbiatura di Figura 5.18. I provini dopo la sabbiatura di

eliminazione del rivestimento eliminazione del rivestimento

In vista della ceramizzazione, sono stati tagliati i perni di fusione con dischi separatori sinterizzati di carburo di silicio (carborundum – SiC) tipo Lima con spessore di 0,6 mm; è stata poi effettuata la sgrossatura dei provini, che sono poi stati tirati con frese al carburo di tungsteno in una sola direzione, producendo una superficie satinata omogenea, come da istruzioni della casa produttrice della lega, sulla quale si riferirà più avanti.